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1、放射物理学第十一章 调强适形放射治疗放射治疗与手术治疗一样是一种局部治疗手段， 其追求的目标是提高放射治疗的治疗增益此，即最大 限度地将剂量集中到病变(靶区)内，杀灭肿瘤细胞， 而使周围正常组织和器官少受或免受不必要的照射。 X射线立体定向治疗和高能质子治疗的临床成功经验 揭示与证明，采用物理手段改善病变(靶区)与周围正 常组织和器官的剂量分布，能够有效地提高治疗增益 。 适形放射治疗定义 适形治疗(Conformal Therapy)是一种提高治疗增益的较 为有效的物理措施。适形放射治疗为一种治疗技术，使 得：高剂量区的形状在三维方向上与靶区（病变）的形 状一致。从这个意义上讲，学术界将它称
2、为三维适形放 射治疗(3DCRT) 第一节 适形放射治疗的分类及历史发展为达到剂量分布的三维适形,必须满足下述必要条件1.在照射方向上，照射野的形状必须与病变（靶区） 的投影形状一致。 2. 射野内诸点的输出剂量率必须按要求的方式进行调 整，使得靶区病变内及表面的剂量处处相等：A 射野形状适形（BEV） B射野内强度调节适形放疗中，靶区内 及靶区表面各点的剂 量应相等，即各野到 达某点的剂量率和照 射时间的乘积之和应 为常数。适形放射治疗的分类经典适形放射治疗 （Classical Conformal Radiation Therapy） 只满足第一个必要条件调强适形放射治疗 （Intensi
3、ty-Modulated Radiation Therapy, IMRT） 同时满足两个必要条件调强适形放射治疗的历史 早在1959年日本的Takahashi医师提出了适形放射治疗的 概念。Takahashi医师及其同事设计了一套机械控制系统 ，用它来控制多叶准直器，在围绕患者旋转照射时射野 形状与靶区的形状一致。Proimos及其同事1960年提出了 同步挡块旋转照射方法。Green1959年提出了循迹扫描原 理。Umegaki1971年在直线加速器上安装了多叶准直器。 用机械方式控制，逐渐发展到今天用微机控制。 调强适形放射治疗是由Bjarngard，Kijewski及其同事在 20世纪7
4、0年代最先提出，但由于当时的技术条件在临床 上还不能实现，逆向治疗计划方法的提出和微机控制MLC 技术的发展，为IMRT的临床应用提供了必要的条件。 调强定义调强:将直线加速器或钴-60治疗机的均匀剂量(率)输出的射野变为不均匀剂量(率)输出的射野的过程。调强装置(器或方法): 实现调强过程的装置。为什么要开展IMRT？1.放疗中约有30%的病例是凹形靶区，只有用调强方法才能得到这种形状的高剂量分布，而周围正常组织剂量很小。2.能够作调强治疗的设备和技术已商业化。 3.照射可实现数字化。 4.用于IMRT的射野注量(强度)分布的逆向设计算法已经成熟。5.CT/MRI/SPECT/PET等影像设
5、备,可以更加精确地确定靶区和周围正常组织、器官的几何结构6.IMRT的验证和QA技术不断涌现。调强的概念启发于X射线横向断层CT成像的逆原理。当CT的X射 线球管发出强度均匀的X射线束穿过人体后，其强度分布反比 于组织厚度与组织密度的乘积，反向投影后形成组织的影像； 反之，如果使用类似于CTX射线穿过人体后的强度分布的高能X （)线束、电子束或质子束等，绕人体旋转照射，在照射部 位会得到类似CT断层影像的适形剂量分布。根据调强的概念， 首先要根据病变(靶区)及周围重要器官和组织的三维解剖，利 用计划系统计算出射野照射方向上应有的强度分布，它是常规 治疗计划设计的逆过程，称为逆向计划设计 第二节
6、 适形放射治疗的临床价值 适形治疗概念的提出和进行临床研究，始于1959年。 适形治疗的结果是:高剂量分布区与靶区的三维形状的 适合度较常规治疗大有提高；进一步减小了周围正常组 织和器官卷入射野的范围。这已在鼻咽癌、前列腺癌、 非小细胞肺癌等三维适形治疗与常规治疗的研究比较中 得以证实。因靶区剂量分布的改善和靶周围正常组织受 照范围的减小，可导致靶区处方剂量的进一步提高和周 围正常组织并发症的减低，并且在上述几种癌瘤的临床 增量计划研究中得以证实。理论认为，靶区剂量提高， 必然导致肿瘤局部控制率的提高，进而提高生存率。 放射治疗在肿瘤治疗中的地位 癌症治疗五年生存率 1990s19301960
7、1990 5%15%30%45%外科手术22% 放射治疗18% 化学治疗5%原发肿瘤未控18% 远地转移未控37% 合计45%55%未根治的癌症患者的死亡原因手术、放疗、化疗三大手段对癌症治愈率的相对贡献IMRT提高癌症患者生存率的假设提高肿瘤局部控制剂量 或减低周围重要器官剂量提高肿瘤局部控制率 或减少肿瘤远地转移率提高癌症患者生存率或 改善癌症患者愈后生存质量肿瘤局部控制的最低剂量（Fletcher 1973）大量临床报告证明:高剂量照射会提高肿瘤的局 部控制率和无瘤生存率3D适形照射和双侧等中心旋转标准照射治疗前列腺癌的有关剂量学参数的比较对比参数3DCRTSRT 观察例数8787 靶区
8、 剂量高于靶处方剂量的体积（%）92.913.992.910.8 ICRU 剂量（靶处方剂量）(Gy )69.12.669.22.6 肿瘤最低剂量(Gy) 66.35.363.58.6 肿瘤平均剂量(Gy)69.82.669.72.8 肿瘤最高剂量(Gy)71.72.471.32.8 危及器官 剂量高于或等于65 Gy的直肠体积(%) 33.715.062.721.0 剂量高于或等于70Gy的直肠体积(%)8.511.828.828.9 剂量高于或等于65 Gy的膀胱体积(%) 22.312.550.522.8 剂量高于或等于70Gy的膀胱体积(%)6.38.419.424.4适形放射治疗的临
9、床研究肿瘤对放射线的抗拒和肿瘤的个体差异，造成剂量响 应曲线随剂量继续增加变得平坦，会减弱由于靶剂量 增加带来的治疗增益的提高；但由于三维适形治疗使 靶区外周(边缘)剂量得到提高，靶剂量的提高总体上 能提高局部控制率。同样，因肿瘤局部控制率的提高 ，也会因肿瘤的远地转移减少而提高生存率。适形放射治疗的临床价值 临床适应症肿瘤局部控制失败占主要的癌瘤因肿瘤局部控制失败导致远地转移的癌瘤解剖结构复杂、形状比较复杂，特别是凹形靶区; 或多靶点的肿瘤的治疗常规放疗疗效很好，希望进一步减少放射 并发症和改进患者疗后的生存质量 IMRT原理凸形靶区凹形靶区IMRT（IMPT）Photon IMRTProt
10、on IMRT第三节 调强的方式与实现根据病变（靶区）及周围重要器官和组织的三维解剖，利用 优化设计算法，借助计划系统计算出射野照射方向上的应需 要的强度（照射时间或机器跳数）分布 补偿器原用于 人体曲面和不 均匀组织的补 偿。用于调强 的二维补偿器 具有更广泛的 意义。 由具有逆向计划设计的计划系统，提供每个射野的强度分布（ ij），然后转换成补偿材料的厚度（tij），输出给PC控制的补 偿生成器，进行补偿器的制作。调强补偿器可作为射野挡块的一 部分，放置于治疗机的挡块托架上。 a.一维补偿器b.铝块或铅片叠 放式补偿器不同厚度的铝方 块或铅片按强度 分布或组织厚度 分布人工叠放 c.补偿器
11、生成器生 成的二维补偿器二维物理补偿器技术具有可靠、易于质量保证（质量控制）工作 。但因每个野都需要使用补偿器，给模室制作和治疗摆位都带来 不便。补偿器作为一种滤过器，也会影响原射线的能谱分布。但 仍是目前用得最为广泛的调强器。 其特征是每个子野照射完毕后，照射切断，MLC调到另一 个子野，再继续照射，直到所有子野照射完毕。所有子野 的流强相加，形成要求的强度分布。 MLC静态调强是将 射野要求的强度分 布进行分级，利用 MLC形成的多个子 野进行分步照射。MLC静态调强由于每个子野照射结束后，射线必须切断， 才能转到下一个子野。这样因加速器的射线的“ON”、 “OFF”动作，影响剂量率的稳定
12、性，因此它只能在带有 “栅控”电子枪的新型加速器上才可能实现这种照射。 调强实现方法调强治疗实现方法分类MLC动态调强是利用多叶 准直器的互相对应的一对 叶片的相对运动，实现对 射野强度的调节。该技术 的特征是叶片运动过程中 ，射线一直处于“ON”的 位置。叶片运动的特点是 一对相对叶片总是向一个 方向运动。相对的两个叶片中，有一片称为引导片，先运动到一个位置 ；然后另一片称为跟随片，按选定的速度运动，给出各点所 需的强度。此技术在文献中有不同的称呼，如相机快门技术 、叶片跟随技术和滑窗技术等。调强实现方法调强治疗实现方法分类MLC螺旋调强技术综合了MLC动态调强技术、MLC断 层治疗技术和M
13、LC静态调强技术的特点。在整个照 射过程中，治疗机机架绕患者作N次等中心旋转； 每一次旋转过程中，MLC不断（一般每间隔5）改 变射野的大小和形状，完成一组“子野”的照射 。因为MLC旋转调强时MLC运动的范围和次数都低 于MLC动态调强和MLC静态调强，效率较高。 调强实现方法断层治疗技术，因模拟X射线计算机断层技术而得名，它是利用特 殊设计的MLC形成的扇形束绕患者体纵轴（此轴一般与加速器机架 旋转轴一致）旋转照射，完成一个切片治疗。然后利用床的步进， 完成下一个切片的治疗。本方法类似于英国Green氏在20世纪60年 代倡导的循迹扫描技术。按床的行进方式的不同，在美国的两个不 同地方，分
14、别独立地发展了两种不同的断层治疗方式：步进（ Index）方式和螺旋（Spiral）方式。 调强治疗实现方法分类螺旋方式是采取螺旋CT扫描方 式，机架边旋转，治疗床边缓 缓前进，实现扇形束的调强切 片治疗。 步进式是在每次旋转照射完毕 后，床步进一段距离。调强实现方法调强治疗实现方法分类电磁偏转扫描技术是实现调强治 疗的最好方法。它具有X光子的利 用率很高，治疗时间短的突出优 点，而且可实现电子束、质子束 的调强治疗。因MM50型电子回旋 加速器能够提供品质好的能量束 流，能谱窄、能量单一的高能X射 线和高能电子束，利用电子束的 电磁偏转，实现方向可变、强度 各异的X射线和电子束的调强笔型 束
15、的扫描式照射。调强实现方法调强治疗实现方法分类一种新型的二维调强准直器。它由 N*N个准直器单元组成（每个单元形 成一个单元野），类似于棋盘式的结 构，称为棋盘式准直器。准直器单元 分为全阻挡单元和全开放单元两种， 每个单元在等中心处的射野为 5mm*5mm或10mm*10mm，它们的几何形 状，在放射源（X射线靶）处聚焦。 全阻挡单元由12cm厚的固体射线衰减 材料制成，不让射线穿过。全开放单 元全部露空，对射线无阻挡。照射时，通过气泵向露空单元内按预 定方式充入一定厚度的水银（补偿器 厚度），完成一次照射；然后准进器 平移一个单元的位置，或旋转90角， 露空单元和阻挡单元互换位置，再照 射
16、一次，完成调强过程。该种准直器 具有简单、可靠、易于剂量控制和射 野验证等突出优点。但可能因水银蒸 发引起水银气污染，一直未被FDA批准 临床应用。目前正在积极开发和研制 类似的新型的二进制的固体调强准直 器，主要思路是将棋盘准直器中的全 阻挡单元分成上、下两层，靠上、下 层阻挡块的平移调整露空单元野下的 剂量，实现调强。 调强实现方法调强治疗实现方法分类作为MLC的一个特例，独 立准直器可看作是两对 互相垂直的独立的MLC叶 片。利用它们的相对运 动，也可以实现调强。 其方法类似于静态调强 技术，将射野分成若干 个矩形子野，进行分步 照射。因子野总是矩形 野，照射效率比静态调 强技术的低得多。与现今流行的调强技术相比，IC静态调强具有下述优点：（1）因 IC已成为新一代加速器的标准配置，IC比MLC更为经济；（2）与 MLC相比，没有凹凸槽效应，漏射线和射野半影都较小；（3）IC运 动要比MLC运动更为可靠，故障机会大为减少。Webb氏最近提出IC 技术加调强补偿片（MASK）方法，可将其照射效率大大
